三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型, 引入周期性边界条件, 对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟, 并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量, 建立了含损伤材料的刚度矩阵, 运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤, 通过数值结果与试验结果的对比, 分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明: 基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好; Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据; 不同编织角材料的失效机制不同。      

三维六向编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

基于三维六向编织复合材料的细观结构,假设第六向纱线的截面形状为菱形,建立了三维六向编织复合材料的渐进损伤有限元模型。采用Linde等提出的失效准则,引入周期性位移边界条件,对三维六向编织复合材料的纵向拉伸应力-应变行为进行了渐进损伤数值模拟,讨论了单胞模型在纵向拉伸载荷作用下的细观损伤起始、扩展和最终失效的演化过程,并预测了材料的拉伸强度。在此基础上,进一步研究了编织角、纤维体积分数和编织纱水平取向角等参数对材料纵向拉伸力学性能的影响规律。研究结果表明,三维六向编织复合材料的轴向纱线拉伸断裂是导致其破坏的最主要因素。所得数值结果与现有试验值吻合较好,验证了该模型的有效性,为更深入研究此类材料的力学性能奠定了基础。     

一种新型刚度退化模型及复合材料结构渐进损伤分析的通用方法实现

针对复合材料结构的强度设计与分析方法问题,基于Tsai-Wu强度准则,该文提出了一种新型刚度退化模型,建立了一套层合/实体型复合材料结构渐进损伤分析的通用方法,并开发ABAQUS用户材料子程序用于层合型和实体型复合材料典型结构的渐进损伤数值仿真与试验验证,结果表明:该文提出的模型和算法,在保证层合型复合材料结构损伤分析能力和精度不低于已有方法基础上,对C/C实体型复合材料结构极限承载能力的数值模拟相对误差精度也达到20%量值水平。     

基于剪切非线性三维损伤本构模型的复合材料层合板失效强度预测

基于连续损伤力学,建立了同时考虑复合材料剪切非线性效应和损伤累积导致材料属性退化的三维损伤本构模型。模型能够区分纤维损伤、基体损伤和分层损伤不同的失效模式,并定义了相应损伤模式的损伤变量。复合材料层合板层内纤维初始损伤采用最大应力准则判定,基体初始损伤采用三维Puck准则中的基体失效准则判定,分层初始损伤采用三维Hou准则中的分层破坏准则判定,为了计算Puck失效理论中的基体失效断裂面角度,本文提出了分区抛物线法,通过Matlab软件编写计算程序并进行分析。结果表明,与Puck遍历法和分区黄金分割法对比,本文提出的分区抛物线法有效地降低了求解断裂面角度的计算次数,提高了计算效率和计算精度。推导了本构模型的应变驱动显式积分算法以更新应力和解答相关的状态变量,开发了包含数值积分算法的用户自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著非线性效应的AS4碳纤维/3501-6环氧树脂复合材料层合板进行渐进失效分析,验证了本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,已提出的模型能够较准确地预测此类复合材料层合板的力学行为及其失效强度,为复合材料构件及其结构设计提供一种有效的分析方法。      

复合材料连续损伤力学模型在螺栓接头渐进失效预测中的应用

提出考虑层合板面内(纤维和基体失效)和层间失效的复合材料连续损伤力学模型,对螺栓接头的渐进失效行为进行预测。基于Tsai-Wu强度准则,发展可以判定复合材料面内和层间失效的强度准则。采用幂指数衰减材料退化模型模拟复合材料的损伤扩展过程。建立连续损伤力学模型用以研究0°铺层比例和螺栓直径对复合材料螺栓接头挤压性能的影响,预测结果与实验结果吻合。结果表明:0°铺层比例过高,接头发生剪切破坏,降低连接结构承载能力;增大螺栓直径,层合板损伤受到抑制,可提高复合材料螺栓接头的挤压强度。      

一种新型刚度退化模型及复合材料结构渐进损伤分析的通用方法实现EI北大核心CSCD

针对复合材料结构的强度设计与分析方法问题,基于Tsai-Wu强度准则,该文提出了一种新型刚度退化模型,建立了一套层合/实体型复合材料结构渐进损伤分析的通用方法,并开发ABAQUS用户材料子程序用于层合型和实体型复合材料典型结构的渐进损伤数值仿真与试验验证,结果表明:该文提出的模型和算法,在保证层合型复合材料结构损伤分析能力和精度不低于已有方法基础上,对C/C实体型复合材料结构极限承载能力的数值模拟相对误差精度也达到20%量值水平。     

复合材料蒙皮-加筋大开口结构优化设计

采用有限元法对复合材料蒙皮-加筋大开口结构进行了优化设计,研究孔边补强和加筋补强对大开口结构屈曲特 性的影响.结果表明:孔边翻边补强可使应力集中远离孔的自由边,增加翻边深度和宽度皆能提高屈曲载荷;采用共固化加筋要比整体加筋效果明显,同等条件下,优先考虑低而密的筋条布置,同时增加横向筋的数量.     

应用桥联模型预测复合材料吸湿老化剩余强度

采用试验与理论相结合的方法, 研究了玻璃纤维/环氧树脂复合材料的吸湿老化剩余强度, 测试了基体的吸湿性能, 对老化前后基体、 纤维及其复合材料的拉伸性能进行了试验研究。根据纤维和基体性能测试数据, 应用桥联模型计算了复合材料的吸湿老化剩余强度, 计算结果与试验结果一致。结果显示: 在小吸湿率条件下, 利用桥联模型能够准确预测复合材料的破坏演化规律及其最大剩余强度。当主承力层破坏由纤维控制时, 由湿老化引起的纤维强度的下降直接导致复合材料最大拉伸强度的下降; 当破坏由基体控制时, 影响复合材料吸湿剩余强度的主要因素是基体硬化及强度的下降。较小吸湿率对纤维与基体的界面粘结强度影响有限, 界面破坏不是层合板破坏的主要因素。      

纺织结构复合材料三维模型设计

根据纺织复合材料结构和工艺的特点,考虑到空间纤维束的相互纽结和紧密挤压而造成的纤维束的弯曲和截面变形,建立了机织和编织三维实体几何模型和工艺过程的动画模拟.所建模型与通过切片制作、数据采集和处理的图像进行比较并修正,取得了较为合理的纤维束中心线拟合效果.为纺织结构复合材料的有效弹性性能预报和RTM工艺模拟仿真奠定了模型基础.     

陶瓷基复合材料三维有效应力强度失效模型

基于陶瓷基复合材料在多轴应力作用下的各向异性损伤演化机制,提出损伤解耦分析的模型和方法,实现定量描述损伤分量之间的耦合影响效应。考虑损伤引起的内应力强化,通过引入有效应力的概念,对微细观损伤造成的材料承载性能衰减进行了表征,并提出复杂应力条件下强度失效判别的最大有效应力判据和二次有效应力判据。采用平纹编织C/SiC复合材料,开展了轴向拉伸加卸载、偏轴拉伸加卸载和面内剪切加卸载试验,进行了损伤演化和强度失效分析。模型和试验结果对比分析表明,本文提出的强度理论具有合理性,预测结果准确。      

含孔和切口C/C编织复合材料静态拉伸下的力学性能

通过对中心开孔、双边半圆切口和双边V型切口三种结构的静态拉伸测试及有限元模拟分析,比较了不同开孔/切口形式C/C编织复合材料的破坏行为.结果表明:三种开孔/切口形式的C/C试件在拉伸破坏中均表现为较强线性的应力-应变关系,且开孔/切口附近有明显的应力集中;板宽不变时,缺口强度对开孔/切口尺寸不敏感,而对其端部的曲率半径较敏感;孔端部材料不满足线弹性的破坏机制,发生了大规模的应力松弛,其尺寸随开孔/切口曲率半径的增大而增大,而对开孔/切口位置不敏感.     

含孔和切口C/C编织复合材料静态拉伸下的力学性能

通过对中心开孔、 双边半圆切口和双边V型切口三种结构的静态拉伸测试及有限元模拟分析, 比较了不同开孔/切口形式C/C编织复合材料的破坏行为。结果表明: 三种开孔/切口形式的C/C试件在拉伸破坏中均表现为较强线性的应力-应变关系, 且开孔/切口附近有明显的应力集中; 板宽不变时, 缺口强度对开孔/切口尺寸不敏感, 而对其端部的曲率半径较敏感; 孔端部材料不满足线弹性的破坏机制, 发生了大规模的应力松弛, 其尺寸随开孔/切口曲率半径的增大而增大, 而对开孔/切口位置不敏感。     

三维复合材料层合板渐进损伤非线性分析模型

为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性,建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案,引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至最终失效的整个过程和极限强度。经文献试验数据验证,12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好,表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。     

基于Weibull模型的C/C复合材料销钉剪切强度分布及本构关系

针对C/C复合材料销钉力学性能各向异性的特点,开展基于Weibull分布模型的C/C销钉剪切强度分布及本构关系研究,探讨不同剪切方向对C/C销钉剪切强度和剪切本构的影响规律。基于两参数Weibull分布模型,采用最小二乘法获得不同剪切方向上剪切强度的分布规律;根据C/C复合材料损伤失效机制,采用基于Weibull分布的弹性损伤模型表征材料的剪切本构关系,并通过试验数据获取损伤模型中的参数。结果表明:通过Kolmogorov-Smirnov拟合优度检验,两参数Weibull分布模型能较好地表征C/C销钉剪切强度的分布规律;沿45°方向剪切的C/C销钉,其剪切强度最高;随着剪切角度的增大销钉剪切刚度逐渐降低,从0°方向上的19.46 kN/mm下降到90°方向上的12.70 kN/mm。      

基于细观结构的2.5维机织复合材料强度预测模型

采用经纱矩形截面及纬纱六边形截面假设,将经纱的屈曲轨迹简化为折线形式,建立了2.5维机织复合材料单胞几何模型。以单胞为研究对象,引入改进的三维Hashin失效准则和Mises准则作为组分材料的失效判据,采用不同的刚度退化方式来表征不同的失效模式,建立了基于逐渐损伤理论的强度预测模型。利用有限元分析（FEA）技术,开发了相应的参数化2.5维机织复合材料逐渐损伤分析程序,预测了浅交弯联结构不同机织参数2.5维机织复合材料的拉伸强度,并模拟了经向拉伸和纬向拉伸的损伤扩展过程。与静拉伸试验结果相比,拉伸强度的预测误差在10%以内;模拟的失效模式与试验结果吻合较好。     

2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型

基于连续损伤力学建立了一种包含拉伸与剪切损伤变量的2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型。分别开展了拉伸和剪切试验,获得应力-应变曲线,并通过拟合试验曲线获得各损伤变量的演化参数。采用子程序技术将本构模型嵌入商用有限元软件ANSYS,应用有限元法计算了材料的应力-应变曲线。考虑了拉剪损伤耦合效应,计算了偏轴拉伸情况下的应力-应变曲线。结果表明:沿经纱拉伸、沿纬纱拉伸以及面内剪切的应力-应变曲线与试验结果吻合,最大偏差依次为4.30%、3.09%及3.73%;偏轴拉伸计算与试验应力-应变曲线也吻合较好。      

含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板拉伸剩余强度预测

为了对含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板的剩余强度进行预测,基于连续介质损伤力学法(CDM)和唯象分析法,建立了表征复合材料雷击热-力耦合损伤的刚度矩阵渐进损伤退化模型。基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,建立了含雷击热-力耦合损伤的复合材料层压板结构三维模型。结合UMAT子程序,完成了拉伸载荷下的剩余强度预测。结果表明:通过与试验对比,仿真结果与试验结果取得了良好的一致性。本文所建立模型,能够有效进行含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板结构拉伸剩余强度预测。     

超高层钢-混凝土混合结构地震损伤模型研究

以型钢混凝土框架-混凝土核心筒结构为研究对象,考虑不同类型构件在某典型超高层钢-混凝土混合结构中的地震损伤分布特点及损伤演化规律,建立了考虑不同类型构件重要性的钢-混凝土混合结构楼层地震损伤模型,并基于提出的楼层地震损伤模型,选取了位置权重系数和损伤值权重系数二者组合的形式,建立了能够反映钢-混凝土混合结构楼层损伤分布规律的整体结构损伤模型。并通过PERFORM-3D软件对一钢-混凝土混合结构进行了非线性地震反应计算,分析了该结构在地震作用下的损伤分布规律和损伤发展情况,利用本文提出的地震损伤模型对结构各层次的地震损伤指标进行了计算,验证了该损伤模型的合理性。     

基于区域叠合技术的三维编织复合材料渐进损伤过程数值模拟

基于区域叠合技术（DST）对编织复合材料渐进损伤过程进行了分析,利用ANSYS参数化设计语言建立了参数化的编织件模型,应用单元切割法在单元边与切割面交点处增加新的节点,将新增节点与该单元部分其他节点重构单元,实现从编织件模型中切割出增强相单胞模型。分别利用Hashin准则与Von Mises准则判断增强相损伤和基体损伤,根据相应损伤模式按修正的Blackketter刚度退化方案对材料刚度进行退化,应用适用于损伤分析的刚度匹配方法,实现区域叠合技术在编织复合材料渐进损伤分析中的应用。提出损伤结果映射方法,实现了基于区域叠合技术所建基体模型的渐进损伤过程的结果显示。数值分析结果发现,区域叠合法分析结果与传统方法分析结果一致,且强度和断裂应变预测结果与试验结果相吻合。